SiO2氣凝膠是一種具有納米結(jié)構(gòu)的多孔材料,在聲學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景,但是脆弱的力學(xué)性能嚴(yán)重限制了其實際應(yīng)用。目前,在SiO2氣凝膠中引入增強體是改善其力學(xué)性能最為有效的方法,常用的增強體根據(jù)類別可分為纖維、聚合物、納米材料等。
(1)提高本體強度:通過改變氣凝膠制備過程中的工藝參數(shù),如溶劑配比、酸堿度、老化時間、干燥方式等,優(yōu)化氣凝膠的骨架結(jié)構(gòu)以提高其力學(xué)性能;
(2)增強體復(fù)合增強:在氣凝膠制備過程中將增強體摻入或通過化學(xué)鍵合的方式與氣凝膠基體復(fù)合,在氣凝膠內(nèi)部充當(dāng)骨架或起到交聯(lián)劑的作用,從而減小應(yīng)力對氣凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的破壞,達(dá)到增強的效果。
一、纖維增強SiO2氣凝膠
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纖維是提高SiO2氣凝膠力學(xué)性能時常用的一 種增強體,其強度高,復(fù)合工藝簡單,通常在氣凝膠制備前期被摻入在硅溶膠中,通過超聲或者攪拌使其在硅溶膠中均勻分散,或是用硅溶膠浸漬纖維預(yù)制件,然后經(jīng)過凝膠、老化、干燥后得到由纖維增強的氣凝膠復(fù)合材料。目前常用的增強纖維根據(jù)類別可分為無機纖維與有機纖維。
1.1無機纖維增強SiO2氣凝膠
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無機纖維作為增強相不僅可以改善SiO2氣凝膠的力學(xué)性能,還可以提高其耐熱性能使其具有更高的使用溫度,目前以無機纖維增強的SiO2氣凝膠作為高性能隔熱復(fù)合材料已在眾多領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。
1.2有機纖維增強 SiO2 氣凝膠
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與無機纖維相比,有機纖維具有更好的柔性, 并且具有低密度、高模量等特點,以有機纖維作為增強體可以有效地提高SiO2氣凝膠的柔性。聚酰亞胺(PI)纖維具有高強度、耐高低溫、耐腐蝕等優(yōu)良特性，PI纖維的加入不僅抑制了干燥過程中氣凝膠體積的收縮,而且有效地提高了氣凝膠的力學(xué)性能。
不同纖維含量的氣凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線
二、聚合物增強 SiO2 氣凝膠
聚合物增強SiO2氣凝膠是通過將有機柔性鏈引入至氣凝膠剛性的硅氧網(wǎng)絡(luò)中,從而有效地改善氣凝膠的柔性,達(dá)到力學(xué)性能的增強。
目前聚合物增強SiO2氣凝膠主要通過三種方式:
(1)通過硅源中含有的碳碳雙鍵、氨基、環(huán)氧基等活性基團,在催化劑的作用下與聚合物發(fā)生反應(yīng);
(2)有機單體與硅源分別反應(yīng)形成互相穿插的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);
(3)以含有碳碳雙鍵的硅源為前驅(qū)體依次使雙鍵加成聚合、烷氧基水解縮合形成雙交聯(lián)結(jié)構(gòu)。
三、納米材料增強 SiO2 氣凝膠
微米級或大于微米級尺寸的增強體在與SiO2氣凝膠復(fù)合時由于增強體與SiO2 氣凝膠間存在著較大的尺度差異,往往會導(dǎo)致增強體不能很好地分散在氣凝膠基體中,造成氣凝膠的孔結(jié)構(gòu)均一性變差。納米材料由于具有與SiO2氣凝膠相近的納米級尺寸,近年來被許多研究者用來增強SiO2氣凝膠并獲得了良好的增 強效果。目前,用于增強SiO2氣凝膠的納米材料有納米纖維、碳納米材料和 POSS。
3. 1納米纖維增強SiO2氣凝膠
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陶瓷纖維、玻璃纖維、有機纖維等傳統(tǒng)增強纖維均為微米級纖維,與氣凝膠的納米骨架間會存在較大的毛細(xì)張力,在干燥過程中容易發(fā)生碎裂。然而,納米級纖維與SiO2氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)尺度相近,更容易均勻分散在氣凝膠中,獲得更為理想的增強效果。
3. 2碳納米材料增強SiO2氣凝膠
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碳納米材料是指分散相尺度至少有一維小于100nm的碳材料,包括碳納米管(CNTs) 、石墨烯、 碳納米纖維(CNFs) 等。因它們具有良好的導(dǎo)電性、高強度、高比表面積等特點,許多研究人員將其與SiO2氣凝膠相結(jié)合制備高性能復(fù)合材料, 并且已在光學(xué)器件、電極材料、吸附劑等領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。
3. 3POSS增強SiO2氣凝膠
POSS是一種有機-無機雜化納米材料,具有中空剛性的三維籠狀結(jié)構(gòu),其內(nèi)部為硅氧核心,外部的有機基團以共價鍵的形式連接在其8個頂點上,三維尺寸約為1 ~3nm,這種特殊結(jié)構(gòu)賦予了其良好的力學(xué)性能, 熱穩(wěn)定性與阻燃性。POSS具有與SiO2氣凝膠相似的納米級結(jié)構(gòu),在作為增強體時既不會破壞氣凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)又能保持兩相間良好的相容性,成為近年來改性SiO2氣凝膠的研究熱點。
通過增強體復(fù)合的方法可以有效地提高SiO2氣凝膠的力學(xué)性能。從增強機理上分析,纖維通常是通過浸漬硅源前驅(qū)體的方式與SiO2氣凝膠復(fù)合,在氣凝膠基體中作為支撐骨架抵擋外力的沖擊,抑制裂紋的擴展,這種方式制備簡單、高效,但纖維與氣凝膠間并未形成化學(xué)鍵合;而聚合物、碳納米材料、POSS等增強體多是以化學(xué)鍵合的方式與氣凝膠相結(jié)合,增強體與氣凝膠基體通過化學(xué)鍵相連接在氣凝膠中作為交聯(lián)點或形成雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使氣凝膠的強度得到提高。同時,化學(xué)鍵合可以有效地減少相分離,避免了氣凝膠孔結(jié)構(gòu)均一性變差造成比表面積降低或透明度的下降。因此,在提高SiO2氣凝膠力學(xué)性能時,應(yīng)優(yōu)先考慮使增強體與氣凝膠基體間發(fā)生化學(xué)鍵合, 以達(dá)到更好的增強效果。
來源：任家飛,?黃星,?李齊方,?周政.?增強體復(fù)合SiO2氣凝膠的研究進(jìn)展[J].?化學(xué)通報, 2021, 84(4): 305-312.?
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